Введение к работе
Актуальность темы исследования
Тенденции мирового автомобилестроения направлены на повышение безопасности, топливной экономичности, потребительских качеств автотранспортных средств (АТС) при одновременном снижении наносимого экологического вреда от их использования.
Ужесточающиеся требования к АТС стимулируют постепенное внедрение электрических и мехатронных систем с общим сетевым микропроцессорным управлением, позволяющих оптимизировать способы и законы управления исполнительными механизмами и повысить КПД устройств до 0,75...0,9, вместо существующих 0,25...0,4 у механических. Увеличение числа систем электрооборудования и электроники приводит к ежегодному общему росту мощности потребителей в бортовой сети АТС.
Бортовая сеть легковых и грузовых автомобилей при напряжении 14 В и 28 В, соответственно, близка к своему пределу по токовым нагрузкам и условиям коммутации. Поэтому производители АТС ведут работы по переводу части энергоёмких систем на повышенное номинальное напряжение 42 и 48 В, относительно безопасное для человека при однопроводной схеме проводки электрооборудования.
Одной из самых энергоёмких систем, перевод которой на повышенное напряжение может дать большой технико-экономический эффект, является система пуска. В бортовой сети с повышенным напряжением возможно применение стартеров классической конструкции с изменёнными обмоточными данными, а таюке стартер-генераторных установок (СГУ), использование которых значительно расширяет функциональные возможности системы пуска, повышает её эффективность и способствует улучшению экологических показателей и топливной экономичности.
Актуальность работы определяется тем, что она направлена на решение проблемы перевода системы пуска на повышенное напряжение с учётом конструктивно-технологических параметров серийных изделий с целью снижения затрат при внедрении, а также на исследование совместной работы СГУ с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) для АТС с общей снаряжённой массой до 3,5 тонн.
Целью настоящей работы является повышение эффективности системы пуска, улучшение экологических показателей и топливной экономичности за счет создания методов расчётного, теоретического и экспериментального
исследований электрических пусковых систем ДВС на повышенное номинальное напряжение, в том числе с СГУ.
В рамках поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
Разработка методики проектирования стартерного электродвигателя на повышенное номинальное напряжение с учётом конструктивно-технологических параметров серийных изделий с целью минимизации себестоимости производства.
-
Разработка привода стартера без тягового реле, рычажного привода и обгонной муфты с целью повышения массо-габаритных показателей и снижения себестоимости.
-
Разработка эмпирической модели совместной работы ДВС и СГУ в двигательном режиме на основе искусственной нейронной сети (ИНС).
-
Разработка статического табличного наблюдателя заряда химического накопителя энергии на основе информации о напряжении разомкнутой цепи.
-
Разработка алгоритмов управления СГУ на основе вентильно-индукторного двигателя с самоподмагничиванием, их корректировка по результатам испытаний.
-
Теоретические и экспериментальные исследования поиска наилучшей стратегии управления совместной работой ДВС с СГУ в различных режимах с целью повышения топливно-экономических и экологических свойств АТС.
Методы и методология исследований
При решении задач использованы современные математические методы, основные положения электротехники, электропривода, технологии производства электрических машин, теорий автоматического управления и автомобиля. Расчётные исследования алгоритмов работы СГУ и статического наблюдателя уровня заряда проведены на основе статических моделей, реализованных на базе математического пакета "MATLAB". Расчётные исследования были подтверждены экспериментальными данными, полученными в результате испытаний, в том числе, на примере изготовленных опытных образцов по описанным в работе методикам. Экспериментальные исследования проводились в современных лабораториях ОАО «ЗМЗ» г.Заволжье, ФГУП НИИАЭ г.Москва и заводе ОАО «Элтра» г.Ржев, оснащённых современным измерительным оборудованием.
Объектом исследования являлись основные компоненты традиционной системы электрического пуска для АТС классической конструкции и с применением СГУ.
Достоверность результатов обеспечена использованием современных математических методов и средств моделирования, применением оборудования и приборов с соблюдением государственных стандартов, а также адекватностью результатов расчётных и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы:
-
Разработана и экспериментально проверена обобщенная методика пересчета обмоток стартера и параметров аккумуляторной батареи при переходе на повышенное номинальное напряжение при сохранении геометрических размеров серийного электродвигателя.
-
Разработана и экспериментально проверена конструкция привода стартера без тягового реле, рычажного привода и обгонной муфты.
-
Разработана эмпирическая математическая модель на основе искусственной нейронной сети, использующая экспериментальные данные стендовых испытаний работы ДВС и СГУ в двигательных режимах, позволяющая повысить эффективность их совместной работы.
-
Разработана математическая модель с использованием эмпирических данных совместной работы ДВС и СГУ в двигательном режиме на основе искусственной нейронной сети с целью определения точек наибольшей эффективности при совместной работе.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при выполнении работ, связанных с созданием бортовой сети с повышенным номинальным напряжением перспективных транспортных средств, в том числе с СГУ. Результаты работы, включая разработанные аппаратно-программные средства, по практическому исследованию электропусковых систем на повышенное напряжение использованы во ФГУП НИИАЭ, ФГУП «НАМИ», ОАО «ЗМЗ», ОАО «УАЗ», а также в научно-исследовательских разработках и учебном процессе кафедры «Электротехника и электрооборудование» МАДИ и МГМУ МАМИ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Обобщенная методика пересчета обмоток стартерного электродвигателя и параметров аккумуляторной батареи при переходе на повышенное номинальное напряжение с учётом конструктивно-технологических параметров.
2. Программные средства, обеспечивающие повышение эффективности
совместной работы ДВС и СГУ.
3. Расчетные и экспериментальные исследования электрической
пусковой системы на основе стартерных электродвигателей и АБ на
повышенное номинальное напряжение 36В.
4. Конструкция стартерного электродвигателя с механизмом включения
приводной шестерни без тягового реле, рычажного механизма и муфты
свободного хода.
5. Расчётные и экспериментальные исследования системы пуска с
использованием стартер-генераторной установки на АТС со снаряжённой
массой до 3,5 тонн с бензиновым ДВС.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на:
П-ой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», ТГУ, г. Тольятти, 2007 г.;
- 8-ом Международном автомобильном научном форуме «Развитие
национальной базы НИОКР», НИЦИАМТ ФГУП "НАМИ",
г.Дмитров, 2010 г.;
10-й Международной конференции «Дни науки» университета Лаузитц, г.Лаузитц, Германия, 2010 г.;
75-ой научно-технической конференции «Перспективы развития автомобилей, развитие транспортных средств с альтернативными энергоустановками». ОАО «АВТОВАЗ», г. Тольятти, 2011 г.;
Международной молодёжной конференции «Энергоэффективный автомобильный транспорт будущего», МГМУ «МАМИ», г. Москва, 2012 г.;
64-72-ой научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ, г. Москва, 2005 - 2014 гг.
Публикации
Основные положения и результаты исследований опубликованы в двух тезисах докладов на международных научных конференциях, 10-и печатных работах, в том числе, семь в изданиях, включенных в перечень рекомендованный ВАК. Получен один патент на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, библиографического списка из 155 наименований и трёх актов внедрения. Общий объем работы 188 страниц текста, в том числе таблицы, графики и рисунки.
